Method Article

Jednoczesne anodowanie wielopowierzchniowe i schodowe odchylenia odwrotne Anodowe tlenki glinu w elektrolicie kwasu siarkowego i szczawiowego

DOI:

10.3791/56432

⸱

October 5th, 2017

 ,  ,  ,  , 
1School of Advanced Materials Science and Engineering, Sungkyunkwan University, 2Department of Applied Organic Materials Engineering, Inha University

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiono protokół wytwarzania nanoporowatych anodowych tlenków glinu poprzez jednoczesną anodowanie wielu powierzchni, po której następują odwrócone odchylenia podobne do schodów. Może być wielokrotnie nakładany na to samo podłoże aluminiowe, wykazując łatwą, wysokowydajną i czystą dla środowiska strategię.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Po opisie dwuetapowej anodyzacji, nanoporowate anodowe tlenki glinu (AAO) są szeroko stosowane w wszechstronnych dziedzinach nauk podstawowych i zastosowań przemysłowych, dzięki ich okresowemu układowi nanoporów o stosunkowo wysokim współczynniku kształtu. Jednak opisane do tej pory techniki, które mogą być przydatne tylko w przypadku anodowania jednopowierzchniowego, wykazują krytyczne wady, tj. czasochłonne i skomplikowane procedury, wymagające toksycznych chemikaliów i marnujące cenne zasoby naturalne. W tym artykule przedstawiamy łatwą, wydajną i czystą dla środowiska metodę wytwarzania nanoporowatych AAO w elektrolitach kwasu siarkowego i szczawiowego, która może przezwyciężyć ograniczenia wynikające z konwencjonalnych metod wytwarzania AAO. Po pierwsze, AAO w liczbie mnogiej są produkowane jednorazowo poprzez jednoczesną anodowanie wielopowierzchniową (SMSA), co wskazuje na masową produkcję AAO o porównywalnych właściwościach. Po drugie, te AAO można oddzielić od podłoża aluminiowego (Al) poprzez zastosowanie schodkowych odchyleń wstecznych (SRB) w tym samym elektrolicie, który jest używany w SMSA, co sugeruje prostotę i ekologiczne cechy technologiczne. Wreszcie, sekwencja jednostek składająca się z SMSA sekwencyjnie połączonych z oderwaniem opartym na SRB może być wielokrotnie stosowana do tego samego substratu Al, co wzmacnia zalety tej strategii, a także gwarantuje efektywne wykorzystanie zasobów naturalnych.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

AAOs, które powstały w wyniku anodowania podłoża Al w kwaśnym elektrolicie, wzbudziły duże zainteresowanie w różnych naukach podstawowych i przemyśle, na przykład twarde szablony dla nanorurek/nanodrutów1,2,3,4,5, urządzenia do magazynowania energii6,7,8,9, bio-sensing10,11, filtrowanie aplikacji12,13,14, maski do parowania i/lub trawienia15,16,17 i pojemnościowe czujniki wilgotności18,19,20,21,22, ze względu na samodzielnie uporządkowaną strukturę plastra miodu, wysoki współczynnik proporcji nanoporów i doskonałe właściwości mechaniczne23. Aby zastosować nanoporowate AAO do tych różnych zastosowań, powinny to być formy wolnostojące z wysoce i dalekosiężnie uporządkowanym układem nanoporów. W związku z tym strategie uzyskiwania AAO muszą uwzględniać zarówno procedury tworzenia (anodowania), jak i separacji (odłączania).

Z punktu widzenia formacji AAO, łagodna anodyzacja (zwana dalej MA) była dobrze ugruntowana pod kwaśnymi elektrolitami siarkowymi, szczawowymi i fosforowymi23,24,25,26,27. Jednak procesy MA wykazywały niską wydajność wytwarzania AAO ze względu na ich powolne tempo wzrostu w zależności od stosunkowo niskiej intensywności napięć anodowych, które uległyby dalszemu pogorszeniu w dwuetapowym procesie MA w celu poprawy okresowości nanoporów28,29. W związku z tym techniki twardej anodowania (HA) zostały zaproponowane jako alternatywa dla MA poprzez zastosowanie wyższych napięć anodowych (elektrolit szczawiowy/siarkowy) lub użycie bardziej stężonego elektrolitu (kwas fosforowy)30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40. Procesy HA wykazują wyraźną poprawę tempa wzrostu, a także układów okresowych, podczas gdy powstałe AAO stały się bardziej kruche, a gęstość nanoporów uległa zmniejszeniu30. Ponadto wymagany jest kosztowny system chłodzenia do rozpraszania ciepła Joule'a spowodowanego wysoką gęstością prądu31. Wyniki te ograniczają potencjalną możliwość zastosowania AAO w procesach kwasu hialuronowego.

Do oddzielania AAO od odpowiedniej powierzchni płytki Al, selektywne chemiczne trawienie pozostałego substratu Al było najczęściej stosowane zarówno w procesach MA, jak i HA przy użyciu toksycznych chemikaliów, takich jak chlorek miedzi35,39,41,42 lub chlorek rtęci16,17,43,44,45,46,47,48,49. Metoda ta wywołuje jednak niekorzystne skutki uboczne, np. wydłużenie czasu reakcji proporcjonalnego do pozostałej grubości Al, zanieczyszczenie AAO jonami metali ciężkich, szkodliwe pozostałości dla organizmu ludzkiego/środowiska naturalnego oraz nieefektywne wykorzystanie cennych zasobów. W związku z tym podjęto wiele prób zrealizowania bezpośredniego odłączenia AAO. Chociaż zarówno rozwarstwienie napięcia katodowego50,51 i anodowe odłączenie impulsu napięcia anodowego7,41,42,52,53,54,55 mają tę zaletę, że pozostały substrat Al może być ponownie wykorzystany, poprzednia technika zajmuje prawie porównywalny czas z tymi w metodach trawienia chemicznego50. Pomimo wyraźnego skrócenia czasu przetwarzania, szkodliwe i wysoce reaktywne chemikalia, na przykład butanodion i/lub kwas nadchlorowy, były używane jako elektrolity oddzielające w tych ostatnich technikach55, gdzie potrzebna jest dodatkowa procedura czyszczenia ze względu na zmianę elektrolitu między procedurą anodowania i odłączania. Zwłaszcza odklejanie i jakość odłączonych AAO mają poważny wpływ na grubość. W przypadku AAO o stosunkowo cieńszej grubości, odklejony może zawierać pęknięcia i/lub otwory.

Wszystkie eksperymentalne podejścia wymienione powyżej zostały zastosowane do "pojedynczej powierzchni" próbki Al, z wyłączeniem celów ochrony powierzchni/inżynierii, a ta cecha konwencjonalnych technologii wykazuje krytyczne ograniczenia produkcji AAO pod względem wydajności jak również przetwarzalności, co również wpływa na potencjalną stosowalność AAOs56,57.

Aby sprostać rosnącym wymaganiom w dziedzinach związanych z AAO pod względem łatwości, wysokiej wydajności i ekologicznego podejścia technologicznego, wcześniej informowaliśmy o SMSA i bezpośrednim odłączaniu przez SRB odpowiednio pod siarką56 i oxalic57 kwaśny elektrolit. Powszechnie wiadomo, że liczba mnoga AAO może powstawać na wielu powierzchniach podłoża Al zanurzonego w kwaśnych elektrolitach. Jednak SRB, kluczowa różnica naszych metod, umożliwiają oderwanie tych AAO od odpowiadających im wielopowierzchniowych substratów Al w tym samym kwaśnym elektrolicie, który jest używany do SMSA, co wskazuje na masową produkcję, prostotę i zielone cechy technologiczne. Chcielibyśmy zwrócić uwagę, że oddzielenie oparte na SRB jest optymalną strategią dla mnogich AAO wytwarzanych przez SMSAs56,57 i nawet poprawną dla stosunkowo cieńszych grubości AAOs57 w porównaniu z rozwarstwieniem katodowym (tj. stałym odwrotnym odchyleniem) na pojedynczej powierzchni51. Wreszcie, sekwencja jednostkowa składająca się z SMSA sekwencyjnie połączonych z odłączaniem opartym na SRB może być wielokrotnie stosowana do tego samego podłoża Al, unikając skomplikowanych procedur i toksycznych/reaktywnych chemikaliów, co wzmacnia zalety naszych strategii, a także gwarantuje efektywne wykorzystanie zasobów naturalnych.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Proszę zapoznać się ze wszystkimi powiązanymi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznych (MSDS) przed rozpoczęciem. Pomimo ekologicznego charakteru tego protokołu, w odpowiednich procedurach stosuje się kilka kwasów i utleniaczy. Należy również używać wszystkich odpowiednich środków ochrony osobistej (fartuch laboratoryjny, rękawice, okulary ochronne itp.).

1. Przygotowanie roztworu

Uwaga: Po całkowitym uszczelnieniu naczynia zawierającego roztwór, energiczne mieszanie magnetyczne zostało zastosowane do wszystkich roztworów w temperaturze pokojowej w odpowiednim czasie.

  1. Przygotowanie roztworu kwasu nadchlorowego
    1. Zmieszać 100 ml kwasu nadchlorowego (HClO4, 60%) z 400 ml absolutnego etanolu (C2H5OH, 100%) w stosunku objętościowym 1 do 4.
  2. Przygotowanie roztworu kwasu chromowego
    1. Rozpuścić 9,0 g tlenku chromu (CrO3) i 20,3 ml kwasu fosforowego (H3PO4, 85%) w 479,7 ml wody dejonizowanej (DI) (CrO3:H3PO4 = 0,18 M:0,56 M).
  3. Przygotowanie elektrolitu kwasu siarkowego
    1. Wymieszaj 16,2 ml kwasu siarkowego (H2SO4, 98%) z 983,8 ml wody, uzyskując stężenie molowe 0,3 M.
  4. Przygotowanie elektrolitu kwasu szczawiowego
    1. Rozpuścić 27.012 g bezwodnego kwasu szczawiowego (C2H2O4) w 1 l wody, dając stężenie molowe 0,3 M.

2. Wstępna obróbka podłoża Al

  1. Obróbka próbki Al
    1. Oczyszczoną próbkę Al (o czystości >99,99%) należy pociąć na kształt prostokątnego równoległościanu (szerokość x wysokość x grubość = 20,0 mm x 50,0 mm x 1,0 mm) pod kątem prostym między wszystkimi sąsiednimi powierzchniami, który jest dalej określany jako "podłoże".
    2. Wielopowierzchniowe podłoże Al wypolerować mechanicznie za pomocą papieru ściernego o odpowiednim numerze ziarnistości ISO/FEPA większym niż P1000.
      UWAGA: Więcej informacji można znaleźć w informacjach uzupełniających.
  2. Jednoczesne elektropolerowanie na wielu powierzchniach podłoża Al
    1. Wlać około 350 ml roztworu etanolu kwasu nadchlorowego do zlewki z podwójnym płaszczem o maksymalnej pojemności 600 ml. Następnie zanurz cztery piąte substratu Al w roztworze kwasu nadchlorowego.
    2. Ustawić temperaturę roztworu kwasu nadchlorowego na 7 ±0,1 °C za pomocą cyrkulatora do kąpieli podłączonego do zlewki z podwójnym płaszczem.
    3. Oczyścić podłoże Al za pomocą ultradźwięków w acetonie przez 30-40 minut i kilkakrotnie spłukać acetonem i wodą D.I., aby usunąć pozostałości organiczne z powierzchni podłoża Al.
    4. Wysuszyć podłoże Al za pomocą pistoletu pneumatycznego lub przedmuchu azotem (N2) w celu wyeliminowania pozostałości rozpuszczalników.
      UWAGA: Nie zaleca się naturalnego suszenia w środowisku atmosferycznym, ponieważ ślady rozpuszczalnika niekorzystnie wpływają na efekty elektropolerowania.
    5. Podłącz elektrodę roboczą podłoża Al (WE) do portu dodatniego (+), a przeciwelektrodę z drutu platynowego (Pt) (CE) do ujemnego (-) portu programowalnego zasilacza prądu stałego za pomocą zacisków krokodylkowych. Podłoże Al i drut Pt powinny być równoległe do siebie (patrz rysunek S2).
    6. Zastosuj odchylenie do przodu +20,0 V do Al WE w stosunku do Pt CE średnio przez 2 - 4 minuty. W zależności od stanu powierzchni, takiego jak zanieczyszczenie lub chropowatość, czas aplikacji może być utrzymany do 5 minut. Sprawdź wszystkie powierzchnie zanurzone w roztworze, aby sprawdzić, czy pozostałości na powierzchni odklejają się i zsuwają do roztworu. Na tym etapie mieszanie magnetyczne nie jest zalecane, ponieważ kontrola jest trudna podczas mieszania, a przepływ roztworu może wpływać na efekt elektropolerowania.
      UWAGA: Nie polerować elektrolitycznie dłużej niż 5 minut, ponieważ może to spowodować uszkodzenie powierzchni.
      Opcja: Rejestrowanie zachowania charakterystyki prąd-czas (I-t) za pomocą interfejsu komputera jest pomocne w monitorowaniu procedury elektropolerowania, w tym nieprawidłowych punktów, jeśli istnieją.
    7. Przestań stosować odchylenia i odłącz zaciski krokodylkowe. Ostrożnie pobrać podłoże Al i elektrodę Pt z roztworu do elektropolerowania. Następnie usuń resztki roztworu z powierzchni podłoża Al za pomocą etanolu (95%) i kilkakrotnie wody DI. Jeśli elektropolerowanie zostanie wykonane prawidłowo, można zidentyfikować lustrzanie wykończone powierzchnie podłoża Al (patrz rysunek S1 i rysunek S3).
    8. Elektropolerowane podłoże Al należy przechowywać w etanolu (95%) do następnej procedury, aby zminimalizować utlenianie powierzchni.

3. Masowa produkcja AAO pod elektrolitem kwasu szczawiowego

Uwaga: Dla AAO o dużym zasięgu okresowości nanoporów, zastosowano dwuetapową procedurę SMSAs, w której okresowo teksturowane wielopowierzchniowe Al były uzyskiwane za pomocą pre-SMSA, a następnie przeprowadzono główną SMSA w celu wytworzenia wysoko wykwalifikowanych AAO. Powtarzające się stosowanie sekwencji jednostkowej może powodować wytwarzanie liczby mnogiej i prawie identycznych AAO, dopóki substrat Al nie pozostanie. "n" oznacza numer zastosowanej sekwencji.

  1. n th Przed zawarciem umowy SMSA
    1. Wlać około 650 ml wodnego roztworu kwasu szczawiowego o stężeniu molowym 0,3 M do zlewki z podwójnym płaszczem o maksymalnej pojemności 1,0 l. Następnie zanurz około trzech czwartych substratu Al w roztworze kwasu szczawiowego.
    2. Ustawić temperaturę elektrolitu kwasu szczawiowego na 15 ±0,1 °C za pomocą cyrkulatora kąpielowego podłączonego do zlewki z podwójnym płaszczem.
    3. Podnieść elektropolerowane podłoże Al z etanolu i usunąć pozostałości rozpuszczalnika za pomocą pistoletu pneumatycznego lub przedmuchu gazuN2.
    4. Podłącz elektropolerowane podłoże Al do WE (+) i przewód Pt do CE (-) programowalnego zasilacza prądu stałego za pomocą zacisku krokodylkowego. Podłoże Al i drut Pt powinny być równoległe do siebie. Następnie zanurz elektropolerowaną część podłoża Al w elektrolicie kwasu szczawiowego.
      UWAGA: Upewnij się, że jest wystarczająco dużo miejsca (np. około 1 cm) między górną częścią kwaśnego elektrolitu a dolną częścią zacisku krokodylkowego połączonego z podłożem Al, w przeciwnym razie w miejscu podłączonym zaciskiem krokodylkowym wystąpi silna korozja.
    5. Zastosuj polaryzację anodową +40,0 V do W.E. w stosunku do CE przez ponad 1-2 godziny przy umiarkowanym mieszaniu magnetycznym 100-150 obr./min w celu utrzymania temperatury elektrolitu.
      UWAGA: Jeśli czas przed SMSA jest zbyt krótki, wiele powierzchni podłoża Al nie będzie prawidłowo teksturowanych.
      Opcja: Rejestrowanie zachowania charakterystyki I-t za pomocą interfejsu komputera jest pomocne w zrozumieniu typowych zachowań w SMSA.
    6. Przestań stosować odchylenie anodowe po zakończeniu pre-SMSA i odłącz zaciski krokodylkowe. Ostrożnie pobrać próbkę z kwaśnego elektrolitu i kilkakrotnie przepłukać wstępnie nagrzany przez SMSA substrat Al za pomocą acetonu i wody z suchą wodą.
  2. n th Wytrawianie przed AAO
    1. Ustawić temperaturę wodnego roztworu kwasu chromowego na 60 - 65 °C.
    2. Zanurz wstępnie nasycony SMSA substrat Al w roztworze kwasu chromowego na 1 - 2 godziny, aby usunąć pre-AAO z podłoża Al.
    3. Kilkakrotnie spłucz wstępnie usunięte podłoże Al acetonem i wodą z d.I. Zmierz rezystancję podłoża Al, aby potwierdzić, czy pre-AAO zostały całkowicie usunięte z powierzchni. Jeśli nie, powtórz procedurę trawienia ponownie (krok 3.2.2).
  3. n th Główny program SMSA
    1. Ponownie ustaw wszystkie warunki eksperymentalne i połączenia, takie jak te użyte w kroku 3.1.
      UWAGA: Należy zauważyć, że elektrolit kwasu szczawiowego może być stosowany w kilku sekwencjach, co nie wpływa na właściwości głównych AAO. Jednak do porównań ilościowych zaleca się, aby elektrolit był używany w jednej całej sekwencji, a następnie wymieniany na świeży.
    2. Zastosuj odchylenie anodowe +40,0 V do W.E. w odniesieniu do CE; czas aplikacji może być różny w zależności od pożądanej grubości AAO. Szybkość wzrostu AAO oszacowano na około 8,0 i 7,5 μm/h na przedniej i tylnej powierzchni podłoża Al przy temperaturze elektrolitu odpowiednio 15 °C (więcej szczegółów można znaleźć w referencji57).
  4. n th SRBs-detachment
    1. Przestań stosować polaryzację anodową i mieszanie po zakończeniu głównego SMSA i podłącz główny substrat Al SMSA do CE (-) i przewód Pt do WE (+) programowalnego zasilacza prądu stałego, przełączając każdy zacisk krokodylkowy.
    2. Nałożyć SRB i sprawdzić typowe efekty bulgotania wzdłuż wielu krawędzi podłoża Al pokrytego głównymi AAO. Szczegóły dotyczące stanu SRB, takie jak intensywność początkowego RB, liczba schodów i czas trwania każdego stopnia, są ściśle skorelowane z grubością głównych AAO. W przypadku głównych AAO grubszych niż 60 μm schody w SRB były kontrolowane od -21 V do -24 V z przyrostem -1 V i bez odstępów czasowych między sąsiednimi schodami. Czas trwania dla -21 V, -22 V i -23 V został ustalony na 10 minut, a końcowy stopień -24 V został utrzymany do momentu zakończenia procedury odłączania (Zobacz odniesienie57, aby uzyskać więcej szczegółów, w tym przypadek cieńszych AAO).
      UWAGA: Zdecydowanie zaleca się, aby początkujący korzystali ze sterowania SRB za pomocą interfejsu PC i rejestrowali krzywe charakterystyki I-t podczas tej procedury.
    3. Po zakończeniu odłączania przestań nakładać SRB i odłącz zaciski krokodylkowe. Ostrożnie pobrać próbkę z kwaśnego elektrolitu i dokładnie przepłukać ją acetonem i wodą z prądem wystarczającą liczbę razy.
    4. Całkowicie oddziel każdy AAO od odpowiadającej mu powierzchni Al. Zaraz po kroku 3.4.3 górne części odłączonych AAO są nadal połączone z podłożem Al, które należy ręcznie złamać.
  5. n th Wytrawianie resztkowe tlenku glinu
    1. Ustawić temperaturę roztworu kwasu chromowego na 60-65 °C i zanurzyć odłączone przez AAO podłoże Al na około 30 minut, aby usunąć resztki tlenku glinu.
    2. Podnieś wytrawione podłoże Al i spłucz kilka razy acetonem i wodą z d.I. Zmierz rezystancję, aby potwierdzić całkowite usunięcie resztkowego tlenku glinu. Jeśli nie, powtórz krok 3.5.2.
  6. n+1-ta sekwencja
    1. Przejdź do kroku 3.1 i powtórz całą sekwencję, używając resztkowego podłoża Al wytrawionego tlenkiem glinu.

4. Masowa produkcja AAO pod elektrolitem kwasu siarkowego

UWAGA: W tej sekcji wyraźnie zaznaczono warunki różniące się od tych w kroku 3.

  1. Okres przed zawarciem umowy SMSA
    1. Wlać około 650 ml wodnego roztworu kwasu siarkowego (0,3 M) do zlewki z podwójnym płaszczem o maksymalnej pojemności 1,0 l. Następnie około trzech czwartych substratu Al zanurza się w roztworze kwasu siarkowego.
    2. Ustawić temperaturę elektrolitu na 0 ±0,1 °C.
    3. Usuń resztki rozpuszczalnika z elektropolerowanego podłoża Al za pomocą pistoletu pneumatycznego lub przedmuchiwania gazu N2 i podłącz podłoże Al do programowalnego zasilacza prądu stałego za pomocą zacisków krokodylkowych (patrz krok 3.1.4)
    4. Zastosować odchylenie anodowe +25,0 V do W.E. w stosunku do CE przez ponad 1 - 2 godziny przy umiarkowanym mieszaniu magnetycznym (100 - 150 obr./min).
    5. Przestań stosować odchylenie anodowe po zakończeniu przed SMSA i odłącz zaciski krokodylkowe. Zebrać i kilkakrotnie spłukać podłoże Al za pomocą acetonu i wody D.I<.br /> UWAGA: W przypadku n-tego wytrawiania Pre-AAO, patrz krok 3.2.
  2. n Główna Sieć SMSA
    1. Ponownie skonfiguruj wszystkie warunki eksperymentalne i połączenia, takie jak te użyte w kroku 4.1.
    2. Zastosuj to samo odchylenie anodowe. Czas aplikacji może być różny w zależności od pożądanej grubości AAO. Tempo wzrostu AAO oszacowano na około 5,3 μm/h (więcej szczegółów można znaleźć w reference56).
  3. Oddział SRB
    1. Przestań stosować polaryzację anodową i mieszanie po zakończeniu głównego SMSA i podłącz główny substrat Al SMSA do CE (-) i przewód Pt do WE (+) programowalnego zasilacza prądu stałego, przełączając każdy zacisk krokodylkowy.
    2. Zastosować SRB i sprawdzić typowe efekty bulgotania wzdłuż wielu krawędzi próbki. Schody w SRB były sterowane od -15 V do -17 V z krokiem -1 V i bez odstępów czasowych między sąsiednimi schodami. Czas trwania dla -15 V i -16 V ustalono na 10 min, a końcowy stopień -17 V został utrzymany do momentu zakończenia procedury odłączania.
      UWAGA: Opierając się na bardziej kruchej naturze AAO wytwarzanych pod elektrolitem kwasu siarkowego, poziom prądu gwałtownie wzrósł w momentach odłączania, czemu towarzyszyły zauważalne odgłosy klikania.
    3. Po zakończeniu odłączania zakończ nakładanie SRB i odłącz zaciski krokodylkowe. Ostrożnie pobrać próbkę z kwaśnego elektrolitu i dokładnie spłukać acetonem i wodą D.I. odpowiednią ilość razy.
    4. Oddzielić mechanicznie każdy AAO od odpowiadającej mu powierzchni Al, łamiąc górne części odłączonych AAO.
      UWAGA: W przypadku azotowego wytrawiania resztkowego tlenku glinu patrz krok 3.5.
  4. n+1 -ta sekwencja
    1. Przejdź do kroku 4.1 i powtórz całą sekwencję, używając resztkowego podłoża Al wytrawionego tlenkiem glinu.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Schemat blokowy n-tej sekwencji produkcji AAO, składającej się głównie z dwuetapowych SMSA, SRBs-detachment i powiązanego chemicznego trawienia, został przedstawiony schematycznie w Rysunek 1a. Każda wstawka przedstawia obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) odpowiadającej morfologii powierzchni przy każdej pojedynczej procedurze oraz zdjęcie wykonane bezpośrednio po odłączeniu SRB. Schematyczna ilustracja po całkowitym5...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym artykule z powodzeniem zademonstrowaliśmy łatwą, wysokowydajną i czystą dla środowiska metodę wytwarzania nanoporowatych AAO poprzez odrywanie SMSA i SRB, które można powtórzyć na tym samym podłożu Al w celu znacznego zwiększenia masowej produkcji, a także użyteczności ograniczonych zasobów naturalnych. Jak pokazano na schemacie blokowym na rysunku 1a, nasza strategia wytwarzania AAO opiera się na konwencjonalnej dwuetapowej anodowaniu, która została zmodyfikowana w sytuacji wielopowie...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Badania te były częściowo wspierane przez grant Narodowej Fundacji Badawczej Korei (NRF) finansowany przez rząd Korei (MSIP) (nr 2016R1C1B1016344 i 2016R1E1A2915664).

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Kwas siarkowy >98%odczynnik DUKSAN5950
Kwas szczawiowy bezwodny, 99,5-100,2%chemiczny KANTO31045-73
Kwas fosforowy, 85%SAMCHUN chemicznyP0463
Kwas nadchlorowy, 60%chemiczny SAMCHUNP0181Wysoce reaktywny
tlenek chromu(VI)Sigma Aldrich232653Silny Utleniacz
Etanol, 95%SAMCHUN chemicznyE0219
Absolutny etanol, 99,9%SAMCHUN chemicznyE1320
Podwójna zlewkapłaszczowa iNexus27-00292-05
Niskotemperaturowy cyrkulator kąpielowyJEIO TECHAAH57052K
Programowalny zasilacz prądu stałegoPNCYSEDP-3001 
Płyta aluminiowa, >99,99%Goodfellow
Platinum CylinderWhatman444685
Pure & System Ultra Czystej Wody (Woda Dejonizowana)Human SciencePwer II & HIQ II

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hong, Y. K., et al. Tuning and enhancing photoluminescence of light-emitting polymer nanotubes through electron-beam irradiation. Adv. Funct. Mater. 19 (4), 567-572 (2009).
  2. Hong, Y. K., et al. Fine Characteristics Tailoring of Organic and Inorganic Nanowires Using Focused Electron-Beam Irradiation. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (16), 3734-3738 (2011).
  3. Lee, J. H., et al. Iron-gold barcode nanowires. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (20), 3663-3667 (2007).
  4. Qin, L., Banholzer, M. J., Millstone, J. E., Mirkin, C. A. Nanodisk codes. Nano Lett. 7 (12), 3849-3853 (2007).
  5. Park, D. H., Kim, M. S., Joo, J. Hybrid nanostructures using π-conjugated polymers and nanoscale metals: synthesis, characteristics, and optoelectronic applications. Chem. Soc. Rev. 39 (7), 2439-2452 (2010).
  6. Ahn, Y. K., et al. Enhanced electrochemical capabilities of lithium ion batteries by structurally ideal AAO separator. J. Mater. Chem. A. 3 (20), 10715-10719 (2015).
  7. Chen, J., Wang, S., Ding, L., Jiang, Y., Wang, H. Performance of through-hole anodic aluminum oxide membrane as a separator for lithium-ion battery. J. Membr. Sci. 461, 22-27 (2014).
  8. Gao, Y., et al. Three-dimensional nanotube electrode arrays for hierarchical tubular structured high-performance pseudocapacitors. Nanoscale. 8 (27), 13280-13287 (2016).
  9. Hu, J., et al. Dual-template ordered mesoporous carbon/Fe2O3 nanowires as lithium-ion battery anodes. Nanoscale. 8 (26), 12958-12969 (2016).
  10. Kim, K., et al. Externally controlled drug release using a gold nanorod contained composite membrane. Nanoscale. 8 (23), 11949-11955 (2016).
  11. Poplausks, R., et al. Electrochemically etched sharp aluminium probes with nanoporous aluminium oxide coatings: Demonstration of addressed DNA delivery. RSC Adv. 4 (89), 48480-48485 (2014).
  12. Chen, X., Qiu, M., Ding, H., Fu, K., Fan, Y. A reduced graphene oxide nanofiltration membrane intercalated by well-dispersed carbon nanotubes for drinking water purification. Nanoscale. 8 (10), 5696-5705 (2016).
  13. Dervin, S., Dionysiou, D. D., Pillai, S. C. 2D nanostructures for water purification: graphene and beyond. Nanoscale. 8 (33), 15115-15131 (2016).
  14. Han, K., Heng, L., Wen, L., Jiang, L. Biomimetic heterogeneous multiple ion channels: a honeycomb structure composite film generated by breath figures. Nanoscale. 8 (24), 12318-12323 (2016).
  15. Kim, J., Kim, Y. H., Choi, S. H., Lee, W. Curved Silicon Nanowires with Ribbon-like Cross Sections by Metal-Assisted Chemical Etching. ACS Nano. 5 (6), 5242-5248 (2011).
  16. Zeng, Z., et al. Fabrication of Graphene Nanomesh by Using an Anodic Aluminum Oxide Membrane as a Template. Adv. Mater. 24 (30), 4138-4142 (2012).
  17. Lim, N., et al. A tunable sub-100 nm silicon nanopore array with an AAO membrane mask: reducing unwanted surface etching by introducing a PMMA interlayer. Nanoscale. 7 (32), 13489-13494 (2015).
  18. Zhang, J., Liu, X., Neri, G., Pinna, N. Nanostructured Materials for Room-Temperature Gas Sensors. Adv. Mater. 28 (5), 795-831 (2016).
  19. Blank, T. A., Eksperiandova, L. P., Belikov, K. N. Recent trends of ceramic humidity sensors development: A review. Sens. Actuators B. 228, 416-442 (2016).
  20. Kim, Y., et al. Capacitive humidity sensor design based on anodic aluminum oxide. Sens. Actuators B. 141 (2), 441-446 (2009).
  21. Mahboob, M. R., Zargar, Z. H., Islam, T. A sensitive and highly linear capacitive thin film sensor for trace moisture measurement in gases. Sens. Actuators B. 228, 658-664 (2016).
  22. Sharma, K., Islam, S. S. Optimization of porous anodic alumina nanostructure for ultra high sensitive humidity sensor. Sens. Actuators B. 237, 443-451 (2016).
  23. Lee, W., Park , S. J. Porous Anodic Aluminum Oxide: Anodization and Templated Synthesis of Functional Nanostructures. Chem. Rev. 114 (15), 7487-7556 (2014).
  24. Keller, F., Hunter, M., Robinson, D. Structural features of oxide coatings on aluminum. J. Electrochem. Soc. 100 (9), 411-419 (1953).
  25. Diggle, J. W., Downie, T. C., Goulding, C. W. Anodic oxide films on aluminum. Chem. Rev. 69 (3), 365-405 (1969).
  26. O'Sullivan, J. P., Wood, G. C. The Morphology and Mechanism of Formation of Porous Anodic Films on Aluminium. Proc. R. Soc. London A. 317 (1531), 511-543 (1970).
  27. Thompson, G. E., Wood, G. C. Porous anodic film formation on aluminium. Nature. 290 (5803), 230-232 (1981).
  28. Masuda, H., Fukuda, K. Ordered Metal Nanohole Arrays Made by a Two-Step Replication of Honeycomb Structures of Anodic Alumina. Science. 268 (5216), 1466-1468 (1995).
  29. Masuda, H., Satoh, M. Fabrication of Gold Nanodot Array Using Anodic Porous Alumina as an Evaporation Mask. Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1B), L126-L129 (1996).
  30. Chu, S. Z., Wada, K., Inoue, S., Isogai, M., Yasumori, A. Fabrication of Ideally Ordered Nanoporous Alumina Films and Integrated Alumina Nanotubule Arrays by High-Field Anodization. Adv. Mater. 17 (17), 2115-2119 (2005).
  31. Lee, W., Ji, R., Gösele, U., Nielsch, K. Fast fabrication of long-range ordered porous alumina membranes by hard anodization. Nature Mater. 5 (9), 741-747 (2006).
  32. Li, Y., Zheng, M., Ma, L., Shen, W. Fabrication of highly ordered nanoporous alumina films by stable high-field anodization. Nanotechnology. 17 (20), 5101-5105 (2006).
  33. Li, Y. B., Zheng, M. J., MA, L. High-speed growth and photoluminescence of porous anodic alumina films with controllable interpore distances over a large range. Appl. Phys. Lett. 91 (7), 073109(2007).
  34. Lee, W., et al. Structural engineering of nanoporous anodic aluminium oxide by pulse anodization of aluminium. Nature Nanotech. 3 (4), 234-239 (2008).
  35. Li, Y., Ling, Z. Y., Chen, S. S., Wang, J. C. Fabrication of novel porous anodic alumina membranes by two-step hard anodization. Nanotechnology. 19 (22), 225604(2008).
  36. Schwirn, K., et al. Self-Ordered Anodic Aluminum Oxide Formed by H2SO4 Hard Anodization. ACS Nano. 2 (2), 302-310 (2008).
  37. Yao, Z., Zheng, M., MA, L., Shen, W. The fabrication of ordered nanoporous metal films based on high field anodic alumina and their selected transmission enhancement. Nanotechnology. 19 (46), 465705(2008).
  38. Lee, W., Kim, J. C., Cösele, U. Spontaneous Current Oscillations during Hard Anodization of Aluminum under Potentiostatic Conditions. Adv. Funct. Mater. 20 (1), 21-27 (2010).
  39. Yi, L., Zhiyuan, L., Shuoshuo, C., Xing, H., Xinhua , H. Novel AAO films and hollow nanostructures fabricated by ultra-high voltage hard anodization. Chem. Commun. 46 (2), 309-311 (2010).
  40. Kim, M., Ha, Y. C., Nguyen, T. N., Choi, H. Y., Kim, D. Extended self-ordering regime in hard anodization and its application to make asymmetric AAO membranes for large pitch-distance nanostructures. Nanotechnology. 24 (50), 505304(2013).
  41. Chen, W., Wu, J. S., Yuan, J. H., Xia, X. H., Lin, X. H. An environment-friendly electrochemical detachment method for porous anodic alumina. J. Electroanal. Chem. 600 (2), 257-264 (2007).
  42. Gao, L., Wang, P., Wu, X., Yang, S., Song, X. A new method detaching porous anodic alumina films from aluminum substrates. J. Electroceram. 21 (1-4 SPEC), 791-794 (2008).
  43. Asoh, H., Nishio, K., Nakao, M., Tamamura, T., Masuda, H. Conditions for Fabrication of Ideally Ordered Anodic Porous Alumina Using Pretextured Al. J. Electrochem. Soc. 148 (4), B152-B156 (2001).
  44. Wu, M. T., Hon Leu, I. C., H, M. Effect of polishing pretreatment on the fabrication of ordered nanopore arrays on aluminum foils by anodization. J. Vac. Sci. Technol., B. 20 (3), 776-782 (2002).
  45. Asoh, H., Ono, S., Hirose, T., Nakao, M., Masuda, H. Growth of anodic porous alumina with square cells. Electrochim. Acta. 48 (20-22), 3171-3174 (2003).
  46. Masuda, H., et al. Ordered Mosaic Nanocomposites in Anodic Porous Alumina. Adv. Mater. 15 (2), 161-164 (2003).
  47. Chu, S. Z., et al. Large-Scale Fabrication of Ordered Nanoporous Alumina Films with Arbitrary Pore Intervals by Critical-Potential Anodization. J. Electrochem. Soc. 153 (9), B384-B391 (2006).
  48. Byun, J., Lee, J. I., Kwon, S., Jeon, G., Kim, J. K. Highly Ordered Nanoporous Alumina on Conducting Substrates with Adhesion Enhanced by Surface Modification: Universal Templates for Ultrahigh-Density Arrays of Nanorods. Adv. Mater. 22 (18), 2028-2032 (2010).
  49. Gong, J., Butler, W. H., Zangari, G. Tailoring morphology in free-standing anodic aluminium oxide: Control of barrier layer opening down to the sub-10 nm diameter. Nanoscale. 2 (5), 778-785 (2010).
  50. Schneider, J. J., Engstler, J., Budna, K. P., Teichert, C., Franzka, S. Freestanding, highly flexible, large area, nanoporous alumina membranes with complete through-hole pore morphology. Eur. J. Inorg. Chem. 2005 (12), 2352-2359 (2005).
  51. Choudhary, E., Szalai, V. Two-step cycle for producing multiple anodic aluminum oxide (AAO) films with increasing long-range order. RSC Adv. 6 (72), 67992-67996 (2016).
  52. Yuan, J. H., He, F. Y., Sun, D. C., Xia, X. H. A Simple Method for Preparation of Through-Hole Porous Anodic Alumina Membrane. Chem. Mater. 16 (10), 1841-1844 (2004).
  53. Yuan, J. H., Chen, W., Hui, R. J., Hu, Y. L., Xia, X. H. Mechanism of one-step voltage pulse detachment of porous anodic alumina membranes. Electrochim. Acta. 51 (22), 4589-4595 (2006).
  54. Zhao, S., Chan, K., Yelon, A., Veres, T. Preparation of open-through anodized aluminium oxide films with a clean method. Nanotechnology. 18 (24), 245304(2007).
  55. Brudzisz, A., Brzózka, A., Sulka, G. D. Effect of processing parameters on pore opening and mechanism of voltage pulse detachment of nanoporous anodic alumina. Electrochim. Acta. 178, 374-384 (2015).
  56. Hong, Y. K., Kim, B. H., Kim, D. I., Park, D. H., Joo, J. High-yield and environment-minded fabrication of nanoporous anodic aluminum oxide templates. RSC Adv. 5 (34), 26872-26877 (2015).
  57. Jeong, S. H., et al. Massive, eco-friendly, and facile fabrication of multi-functional anodic aluminum oxides: application to nanoporous templates and sensing platforms. RSC Adv. 7 (8), 4518-4530 (2017).
  58. Houser, J. E., Hebert, K. R. The role of viscous flow of oxide in the growth of self-ordered porous anodic alumina films. Nature Mater. 8 (5), 415-420 (2009).
  59. Jessensky, O., Müller, F., Gösele, U. Self-organized formation of hexagonal pore arrays in anodic alumina. Appl. Phys. Lett. 72 (10), 1173-1175 (1998).
  60. Li, F., Zhang, L., Metzger, R. M. On the Growth of Highly Ordered Pores in Anodized Aluminum Oxide. Chem. Mater. 10 (9), 2470-2480 (1998).
  61. Li, A. P., Müller, F., Bimer, A., Nielsch, K., Gösele, U. Hexagonal pore arrays with a 50-420 nm interpore distance formed by self-organization in anodic alumina. J. Appl. Phys. 84 (11), 6023-6026 (1998).
  62. Nielsch, K., Choi, J., Schwirn, K., Wehrspohn, R. B., Gösele, U. Self-ordering Regimes of Porous Alumina: The 10% Porosity Rule. Nano Lett. 2 (7), 677-680 (2002).
  63. Yanagishita, T., Masuda, H. High-Throughput Fabrication Process for Highly Ordered Through-Hole Porous Alumina Membranes Using Two-Layer Anodization. Electrochim. Acta. 184, 80-85 (2015).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Anodic Aluminum OxidesSimultaneous Multi surface AnodizationStair like Reverse BiasesSulfuric Acid ElectrolyteOxalic Acid ElectrolyteAAO DetachmentAluminum Substrate ReuseElectropolishing ProcedureChromic Acid SolutionScanning Electron Microscopy

Related Articles